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CN106487167B - 电子泵 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种电子泵，包括控制器；控制器包括电源输入端子、印刷电路板、电机驱动器和单片机；电源输入端子、单片机和电机驱动器相隔一定的电气间隙并分别与印刷电路板固定连接，单片机与电机驱动器通过印刷电路进行电连接；电机驱动器根据来自单片机的驱动控制信号驱动电机转动；在电机驱动器与电机之间，控制器在印刷电路板没有设置用于驱动电机转动的由分立元器件组成的电机驱动电路；应用本发明节省了外围分立元器件的设置，降低了能耗。

Description

电子泵
【技术领域】
本发明涉及一种汽车零部件，具体涉及一种汽车热管理系统的零部件。
【背景技术】
目前市场上应用的电子泵控制电路板包括嵌入式微处理器(单片机)、电机预驱动集成芯片，和独立于电机预驱动集成芯片之外的电机驱动电路，该电机驱动电路是由一些分立的电气元器件组成的电路，这些分立的电气元器件，一方面占据很大的空间，另一方面这些分立的电气元器件也会造成很大的能耗。
因此，有必要对现有的技术进行改进，以降低水泵控制系统的功耗，提高其可靠性和兼容性。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能耗低的电子泵。
为实现上述目的，本发明提供了一种电子泵，包括控制器和电机；所述控制器包括电源输入端子、印刷电路板、电机驱动器以及单片机；所述电源输入端子、所述单片机和所述电机驱动器相隔一定的电气间隙并分别与所述印刷电路板固定连接，所述单片机与所述电机驱动器通过所述印刷电路板进行电连接；
所述单片机根据接收的控制信号输出或停止输出电机驱动控制信号；所述电机驱动器根据来自所述单片机的所述电机驱动控制信号驱动所述电机转动；
在所述电机驱动器与所述电机之间，所述控制器在所述印刷电路板没有单独设置用于驱动所述电机转动的由分立元器件组成的电机驱动电路。
本发明的电子泵的控制电路板的电机驱动器集成有驱动电机的功能，因此控制电路板上不再设置由分立的电气元器件组成的电机驱动电路，节省了外围分立元器件的设置，降低了能耗。
【附图说明】
图1是本发明电子泵的一种实施例示意图；
图2是本发明电子泵的控制器的一种实施方式的外观示意图；
图3是图1实施方式控制器的一种电路框图；
图4是本发明电子泵的控制器的单片机和电机驱动器的系统框图的连接示意图；
图5是本发明图4实施例的电源保护电路的一种实施方式示意图；
图6是本发明图4实施例的电源保护电路的另一种实施方式示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明电子泵一个实施例示意图。本实施例的电子泵可应用于汽车热管管理系统中，该电子泵100包括第一壳体111、第二壳体112、端盖118、泵轴117、转子组件113、定子组件114以及控制器115；泵内腔包括第一壳体111第二壳体112以及端盖118之间的空腔；隔离套116将泵内腔分隔为可以有工作介质流过的湿腔120和无工作介质流过的干腔130，转子组件113设置于湿腔120内，干腔130无工作介质通过，定子组件15和控制器115设置于干腔130内，定子组件114和控制器115通过电连接，控制器115与外部通过插接件连接，泵轴117与隔离套116固定设置。
图2为控制器115的一种组成示意图，控制器115包括印刷电路板4，电源输入端子1，单片机2以及电机驱动器3，电源输入端子1、单片机2和电机驱动器3三者相隔一定的电气间隙并分别与印刷电路板4固定连接，印刷电路板4上成形有印刷电路(图中未示出)电源输入端子1，单片机2以及电机驱动器3之间通过印刷电路进行电连接，电源输入端子1为供电电源的输入控制器115提供接口，供电电源可以为汽车的蓄电池，其输入的电压可为9V-16V。
图3为电子泵控制电路的一种框图，单片机2根据来自控制器115外部的控制信号输出或停止输出电机驱动控制信号；电机驱动器3根据来自单片机1的电机驱动控制信号，驱动电机转动；单片机2接收的来自外部的控制信号可以来自汽车控制的控制器，该控制信号包括电机的目标转速；单片机2输出的电机驱动控制信号可以为脉宽调制信号(以下简称PWM信号)。
控制器115还包括过流保护单元和电源保护电路，该过流保护单元包括电信号检测单元，电信号传感器包括电流传感器；上述的单片机2包括第一通信处理单元、控制单元和第二通信单元；电机驱动器3包括有检测单元、通信单元、逻辑控制单元和主驱动单元。下面进行详细说明。
如图4所示，本实施例中的控制器除了包括单片机2和电机驱动器3之外还包括电源保护电路6；电源保护电路6包括输入端和输出端，输入端与供电电源连接(图中未示出)，输出端分别与单片机2和电机驱动器3连接，电源保护电路6用于防止单片机2和电机驱动器3因与供电电源的电源和供电电源的地线反向连接而被损坏。具体实现时，参考图5，电源保护电路6包括第一电容C1、第二电容C2、金属氧化物半导体(MOS，metal，oxid，semiconductor)管Q4、第一二极管D7、第二二极管D4以及第一电阻R1，第一电容C1一端与供电电源的电源线连接，第一电容C1的另一端与供电电源的地线连接，第二电容C2与第一电容C1并联，第二电容C2的电容值大于第一电容C1的电容值，第二电容C2对供电电源的低频信号进行过滤，第一电容C1对供电电源的高频信号进行滤波；第一二极管D7为双向瞬态抑制二极管，第一二极管D7与第一电容C1并联，第一二极管D7位于电源保护电路的最前端，即位于第一电容C1和第二电容C2的前端，第一二极管D7用于吸收电源线上瞬态浪涌电压，保护电源保护电路的后级电路器件不被损坏；第二二极管D2为瞬态稳压二极管，第二二极管D2包括阳极和阴极，阳极与参考地连接GND，阴极与供电电源的电源线连接，这样保证电源保护电路的输出端的电压的稳定；金属氧化物半导体管Q4包括漏极、栅极以及源极，漏极与供电电源的地线连接，源极与参考地GND连接，栅极与第一电阻R1的一端连接，金属氧化物半导体Q4用于防止供电电源的电源线和地线与电源保护电路6反接；第一电阻R1一端与供电电源的电源线连接，第一电阻R1的另一端与金属氧化物半导体管Q4连接。工作时，电源保护电路6的输入端连接汽车的蓄电池电源，再通过第一二极管D7、第一电容C1、第二电容C2，然后接金属氧化物半导体管Q4，金属氧化物半导体管Q4的导通电阻很小，一般几毫欧到几十毫欧，允许通过的电流大，当电源保护电路6的输出端连接的单片机2和电机驱动器3负载工作时，即单片机2和电机驱动器3工作时，金属氧化物半导体管Q4的导通电压会很小，一般小于0.2V，有些只有几十毫伏，有效的降低了功耗。
如图6为电源保护电路6的另一种实施方式，电源保护电路6包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D7以及第二二极管D4，第一电容C1一端与供电电源的电源线连接，第一电容C1的另一端与供电电源的地线连接，第二电容C2与第一电容C1并联，第二电容C2的电容值大于第一电容C1的电容值，第二电容C2对供电电源的低频信号进行过滤，第一电容C1对供电电源的高频信号进行滤波；第一二极管D7为双向瞬态抑制二极管，第一二极管D7与第一电容C1并联，第一二极管D7位于电源保护电路的最前端，即位于第一电容C1和第二电容C2的前端，第一二极管D7用于吸收电源线上瞬态浪涌电压，保护电源保护电路的后级电路器件不被损坏；第二二极管D2为普通二极管，第二二极管D2串联于供电电源的电源线上，防止供电电源的电源线和地线与电源保护电路反接，当供电电源的电源线和地线与电源保护电路反接，通过第二二极管D2的电流会阻断，不会通过后级电路，从而保护后级电路。单片机2包括第一通信单元23，第二通信单元21，控制单元22以及电压调节单元24；单片机2通过第一通信单元23接收控制信号，并进行解析后发送给控制单元22，控制单元22根据解析后的控制信号，输出或停止输出电机驱动控制信号，该电机驱动控制信号包括PWM信号。
第一通信单元23与汽车控制器可采用串行通讯网络(LIN，Local InterconnectNetwork)通信技术，第一通信单元23包括汽车控制器的控制信号和反馈的电机当前转速和相位信号的通信接口，使得控制单元22可以与汽车控制器进行通信。由于第一通信单元23集成在单片机2中，因此不需要在单片机2的外部设置有分立元器件组成的收发器，减少了控制器的能耗。
第二通信单元21和第三通信单元31进行通信，实现了单片机2和电机驱动器3的通信，它们之间通信可采用SPI模式；单片机2的第二通信单元21可以设置专用的SPI引脚，也可以是普通I/O口，当第二通信单元21设置的为普通I/O口，在软件上模拟SPI通讯协议的时序即可成功通信。
电压调节单元24，是单片机2内部集成的低压模拟电路，电压调节单元24的输入电压范围在7V-30V时，输出电压+5V，最大输出电流70mA，输出分别供电给电机驱动器3的第三通信处理单元31和逻辑控制单元32，和单片机2的控制单元22、第一通信单元23以及第二通信单元21。
控制单元22，通过发送PWM信号给电机驱动器3控制电机的转速。
电机驱动器3包括第三通讯单元31、逻辑控制单元32、检测单元33、主驱动单元35，以及电流保护单元。电机驱动器3的逻辑控制单元32对来自控制单元22的控制信号进行逻辑处理后发送给主驱动单元35，主驱动单元35根据来自逻辑控制单元32的控制信号驱动电机转动，此处逻辑处理是将来自控制单元22的电机驱动控制信号转化成控制主驱动单元35开关的逻辑控制信号。
主驱动单元35包括4个N型金属氧化物半导体(NMOS,Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor)，其中2个NMOS管为高边开关，2个NMOS管为低边开关，主驱动单元的这种结构为全桥结构，全桥结构的主驱动单元的稳定性和可靠性比其他分离器件搭建的要高，因为高边开关的升压电路使器件内部集成稳定和可靠性高。当然主驱动单元35也可以采用半桥的结构，这样可以降低主驱动单元35的制造成本，但是半桥结构的主驱动单元的效率只是全桥结构的主驱动单元35的效率的一半。
检测单元33，检测电机驱动器3的工作环境参数，包括环境温度和输入的工作电压，并将检测到的环境温度和输入工作电压反馈给逻辑控制单元32。
逻辑控制单元32，是电机驱动器3的内部逻辑控制部分，例如对于来自控制单元22的PWM信号，根据将来自控制单元22的电机驱动控制信号转化成控制主驱动单元35开关的逻辑控制信号；还可以对来自检测单元33的温度和输入工作电压进行判断，输出过温、过压或欠压信号的预警信号。
过流保护单元包括电信号检测单元，检测到的电信号可以电流或电压，用于对通过电机的工作电流进行检测，具体实现是可为电流传感器34。电流传感器34检测电机转动时通过主驱动单元的电流值，电流值被转换成电压信号，或者通过电压传感器直接获得电压信号，通过引脚ISOUT输出给单片机2的控制单元22，控制单元22将测得的电流值或电压值与预设的电流值或电压值进行比较或者运算并判断检测到的电流或电压是否在预设的目标范围，判断电机是否处于过流或过压的状态，如果是，则停止输出PWM信号或改变电机的转速或者改变电机的其他参数。
具体实现时，单片机2的第一通信单元21接收汽车控制器的LIN信息，解析LIN信息，然后由控制单元22确定电机转速，输出正确的占空比的PWM信号，从而控制电机的转速。单片机2内部循环检测电机的相位和转速，例如每6.25ms循环检测一次电机相位和转速，当汽车控制器给定转速变化时，单片机2会立即检测到，并输出正确的占空比的PWM信号给电机驱动器3。同时，控制单元22接收霍尔传感器(图中未出)反馈的电机当前相位，并判断是否需要改变驱动电流的方向，若需要改变电流的方向，则向电机驱动器3的第三通信处理单元31发出改变驱动电流方向的信号，具体的，由于主驱动单元35采用全桥结构的开关电路，因此在换向信号通过SPI通信口控制主驱动单元35中的另外一组的高边开关和低边开关导通，从而改变通过电机的电流的方向，从而实现了电机的换向。另外，由于霍尔传感器实时检测电机的转速，因此控制单元22检测到电机的当前转速与来自汽车控制器的转速不一致时，则调整PWM信号的占空比，使输出的PWM信号占空比与汽车控制器发送的转速信号相适应。
另外，检测单元33实时检测电机环境温度和工作电压，并将检测的当前值输出给逻辑控制单元32，由逻辑控制单元32判断是否超过预设的范围，并在判断为是后，通过第三通信单元31反馈预警信号给第二通信单元21，通信单元21对收到的预警信号进行解析后传输给控制单元22，控制单元22受到预警信号后停止输出驱动控制信号，即停止输出PWM信号；或者调整电机的转速或其他参数，经过一段时间后，当逻辑控制单元32判断电机环境温度或工作电压已经恢复正常值时，逻辑控制单元32会通过第三通信单元31和第二通信单元21通信向控制单元22反馈环境温度或输入电压已经恢复正常的信号，控制单元22根据该控制信号输出电机驱动控制信号，即输出PWM信号；或者改变电机的转速或其他参数。
电机驱动器3包括第一控制引脚PWM1和第二控制引脚PWM2，第二控制引脚PWM2是复用引脚，其一个作用是作为输入引脚，自单片机3输入PWM信号给电机驱动器3，另一个作用是作为输出引脚ISOUT,电流传感器34可以检测出电机的工作电流值，并将该工作电流值反应在电路上通过第二控制引脚PWM2输出给单片机2。第二控制引脚PWM2作为ISOUT引脚连接单片机2时需要一个限流保护电路5，保护单片机2。具体实现时，限流保护电路5包括限流电阻R2和下拉电阻R3，限流电阻R2和下拉电阻R3设置于ISOUT引脚和电流传感器34之间，限流电阻R2主要起到分压限流作用，减小电流对单片机IO口的冲击，下拉电阻R3的一端与参考地连接，下拉电阻R3的另一端连接于限流电阻R2和电流传感器34之间，下拉电阻R3防止通过PWM2的信号导致电机驱动器误动作。
需要说明的是，本实施例的，供电电源可为汽车蓄电池，电子泵的电机可为直流无刷电机。
综上所述，本发明实施例中的单片机2中除了具有单片机的基本功能外，还集成了电压调节单元24和第一通信单元23，电压调节单元24输出的电压给电机驱动器3的逻辑控制单元32、第三通信单元31供电和单片机2自身供电，节省了分立电压调节器芯片，减少了能耗。
另外，电机驱动器3为一块集成IC芯片，内部集成主驱动单元，整块芯片还具有诊断、短路开路保护、过温、过压、欠压保护等功能，具有很高的电磁兼容性，同时也提高整个电子泵控制器的电磁兼容性。另外，电机驱动器3内部还集成电流保护单元，可以检测电机线圈通过的电流，不需要外搭电流检测电路。电机驱动器3的控制引脚较少，这样对单片机的引脚要求会降低。
需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对上述实施方式进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电子泵，包括控制器和电机；所述控制器包括电源输入端子、印刷电路板、电机驱动器以及单片机；所述电源输入端子、所述单片机和所述电机驱动器相隔一定的电气间隙并分别与所述印刷电路板固定连接，所述单片机与所述电机驱动器通过所述印刷电路板进行电连接；
所述单片机根据接收的控制信号输出或停止输出电机驱动控制信号；所述电机驱动器根据来自所述单片机的所述电机驱动控制信号驱动所述电机转动；所述单片机包括第一通信单元，所述第一通信单元用于接收所述控制信号，所述第一通信单元集成在所述单片机中；
在所述电机驱动器与所述电机之间，所述控制器在所述印刷电路板没有单独设置用于驱动所述电机转动的由分立元器件组成的电机驱动电路；
所述控制器还包括电源保护电路；供电电源经所述电源保护电路为所述电机驱动器和所述单片机供电，所述电源保护电路一端与所述供电电源连接，另一端分别与所述单片机和所述电机驱动器相连；
所述电源保护电路包括第一电容，第二电容，第一二极管，金属氧化物半导体管、第一电阻以及第二二极管；所述第一二极管为双向瞬态抑制二极管；所述第二二极管为瞬态稳压二极管；所述第一电容的一端与所述供电电源的电源线电连接，所述第一电容的另一端与所述供电电源的地线连接；所述第一电阻一端与所述供电电源的电源线连接，所述第一电阻的另一端与所述金属氧化物半导体管连接；所述第二电容与所述第一电容并联；所述第一二极管与第一电容并联；所述第二二极管包括阳极和阴极，所述阳极与所述控制器的参考地连接，所述阴极与所述供电电源的电源线连接；所述金属氧化物半导体管包括漏极、栅极以及源极，所述漏极与所述供电电源的地线连接，所述源极与所述参考地连接，所述栅极经所述第一电阻连接；
或者，所述电源保护电路包括第一电容，第二电容，第一二极管以及第二二极管；所述第一二极管为双向瞬态抑制二极管；所述第一电容的一端与所述供电电源的电源线电连接，所述第一电容的另一端与所述供电电源的地线连接；所述第一电阻一端与所述供电电源的电源线连接；所述第二电容与所述第一电容并联；所述第一二极管与第一电容并联；所述第二二极管包括阳极和阴极，所述阳极与所述控制器的参考地连接，所述阴极与所述供电电源的电源线连接。
2.如权利要求1中所述的电子泵，其特征在于，所述电机驱动器还包括过流保护单元；所述过流保护单元在通过所述电机的电流超过预设的范围时启动进行自保护。
3.如权利要求2所述的电子泵，其特征在于，所述过流保护单元包括电流或电压检测单元，对通过所述电机的电流或电压进行检测；所述单片机采集检测到的电流或电压，并判断检测到的电流或电压是否在预设的目标范围或者运算并判断检测到的电流或电压是否在预设的目标范围，并在判断为否后，停止输出所述电机驱动控制信号。
4.如权利要求1-3任一项所述的电子泵，其特征在于，所述电子泵应用于汽车，所述单片机接收的控制信号来自汽车控制器，所述控制信号包括所述电机的目标转速，所述单片机根据所述电机的目标转速产生具有对应占空比的脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号发送到所述电机驱动器；所述电机驱动器根据所述脉宽调制信号控制所述电机转动。
5.如权利要求4所述的电子泵，其特征在于，所述单片机包括第一通信单元、控制单元和第二通信单元；所述电机驱动器包括检测单元，第三通信单元、逻辑控制单元和主驱动单元；
所述第一通信单元接收所述控制信号并将其解析后发送给所述控制单元，所述控制单元根据所述解析后的控制信号输出或停止输出所述电机驱动控制信号；所述电机驱动器的逻辑控制单元将来自所述控制单元的所述电机驱动控制信号处理成控制所述主驱动单元的逻辑控制信号，所述主驱动单元接收所述逻辑控制信号并驱动所述电机转动。
6.如权利要求5所述的电子泵，其特征在于，所述电机驱动器包括检测单元，所述检测单元检测所述电机驱动器的当前工作环境参数，所述工作环境参数包括输入电压和环境温度，并将所述当前的工作环境参数发送给所述逻辑控制单元；所述逻辑控制单元判断当前的工作环境参数是否在预设的目标值范围，并在判断为否后，所述逻辑控制单元经所述第三通信单元和所述第二通信单元向所述控制单元反馈工作环境参数不在预设范围的预警信号；并在检测到所述工作环境参数恢复到目标值范围时，所述逻辑控制单元经第三通信单元和所述第二通信单元向所述控制单元反馈恢复信号。
7.如权利要求6所述的电子泵，其特征在于，所述电子泵还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测所述电机的当前转速和当前相位，并将检测结果反馈给所述第一通信单元；
所述控制单元还能够判断来自所述第一通信单元的电机当前转速与所述电机目标转速是否一致，并在判断为否后，输出所述电机驱动控制信号，调整所述电机当前转速为目标转速；并根据所述当前相位判断是否需要调整通过所述电机的电流的方向，并在判断为是后，发出调整电流方向的控制信号，并通过所述第二通信单元发送至所述第三通信单元；
所述第三通信单元接收所述调整电流方向的控制信号，并通过所述逻辑控制单元进行逻辑处理后，所述主驱动单元根据所述控制信号调整通过所述电机的电流的方向。
8.如权利要求7所述的电子泵，其特征在于，所述电机驱动器还包括限流保护电路，所述限流保护电路包括限流电阻和下拉电阻，所述限流电阻一端与所述控制单元连接，所述限流电阻的另一端与所述电流传感器连接，所述下拉电阻的一端与所述参考地连接，所述下拉电阻的另一端连接于所述限流电阻和所述电流传感器之间。
9.如权利要求5所述的电子泵，其特征在于，所述单片机还包括：电压调节单元；
所述电压调节单元，用于将外部输入电压转化为各功能单元的工作电压后输出，所述各功能单元包括第一通信单元、第二通信单元、控制单元、逻辑控制单元以及第三通信单元。
10.如权利要求9所述的电子泵，其特征在于，所述主驱动单元包括四个N型金属氧化物半导体，其中2个N型金属氧化物半导体为高边开关，2个N型金属氧化物半导体为低边开关，所述高边开关与所述低边开关连接形成H形连接。
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